高速列车上常见的高性能纤维新材料

SAMPE 2020-07-31 12:10:32

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碳纤维

其特点是高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗燃和耐候性优良,其复合材料的抗冲击性比钢制品高1.5倍,并具有震动阻尼效果,因此应用于交通运输工具具有更高的安全性和舒适性节能效果显著。


中间相沥青基碳纤维(P-CF)

该纤维的最大特点是模量极高,导热性居化纤之首,因此其树脂基复合材料的刚性很高。纤维的标准模量为640 GPa,商品纤维最高模量达到1100 GPa,导热系数800 W(/m.K)以上。


对位芳酰胺(PPTA)纤维

其特点是高强度、高模量、耐高温和抗腐蚀,但不抗燃,耐紫外光性略差。其复合材料具有优良的抗冲击性能,可作各种防弹材料,也具有一定的震动阻尼效果,极适于用作流线型抛物面的结构材料。


间位芳酰胺(PMIA)纤维

该纤维具有优良的耐热性和耐热老化性、阻燃性、防射线性和耐腐蚀性,长期使用温度为180℃,在260℃连续加热1000h的强度保持率为65%。它与PPTA纤维(质量分数5%)混纺后,具有优良的抗燃性和电绝缘性能。PMIA纤维(纸)用于高速列车上主要作为车厢的轻质阻燃蜂窝结构材料,生产厂家有苏州芳磊蜂窝复合材料有限公司、宜昌市和达利复合材料股份有限公司等,前者可同时生产对位芳酰胺和间位芳酰胺纸及铝箔蜂窝材料。此外,PMIA纤维还可用于阻燃装饰织物。


聚醚酰亚胺(PEI)纤维

该纤维的最大优点是具有优良的抗燃性,LOI值44,当发生火灾时不会放出有毒烟气,其强度、模量和耐热性良好,纺织品加工性能也好。该纤维制的飞机和高速列车椅套和椅垫,已通过欧盟和美国最严格的认证,认为是最理想的阻燃纺织材料。


超细纤维毡

熔喷法超细纤维毡具有表面积大和微孔均匀性高的特点,适宜用作飞机和高速列车的空调精密过滤滤材。纤维品种可根据需要选用聚丙烯纤维(廉价,但不耐热和不阻燃)、氧化铝纤维(耐高温和不燃)、活性碳纤维(高效和阻燃)和纳米纤维(特高效、特贵)等。


【国内新材料在高速列车上的应用

高速列车用复合材料单元结构

上海磁浮交通工程技术研究中心发明采用上下两层玻璃纤维增强铝合金板面板,替代现有的单纯铝合金薄板和高强GFRP层板进行错位拼接的形式,实现了大型面板的连续性、轻质、高强、高耐疲劳性、高抗冲击损伤容限和高耐燃性。


日本发明了一种不仅限于削减动体流体阻力的表面形状,还设计了小而滑的圆形凸出物,由CFRP制成,这种CFRP极薄,具有高刚性、强韧性、超轻量、耐久性,可直接成型成规则的圆形凸起物,而且可与外壁面相接,不仅可削减空气阻力,还可避免高速区域的流体因发生剥离而产生噪音,同时可抑制能量的损耗。因此已用于日本新干线。


晶须增强金属复合材料滑板

以石墨和碳纤维作为自润滑材料,以Ni、Sn和Nb为添加剂,制成碳晶须增强的铝/铜复合材料,制成的受电弓滑板具有良好的导电性、耐磨性、抗冲击性等特点,同时对接触网导线的磨损很小。其制备工艺简单,压制成型时间短,适宜作地铁或其他电器车辆的电接触材料。


高速列车专用复合材料刹车片

东营信义公司发明了高速列车专门的复合材料刹车片,利用断层理论,采用多种纤维及填料与纳米铜改性酚醛树脂复合技术原理混合压制而成,有效提高了摩擦材料的综合性能,其刹车片在高温时无发生热衰老现象,摩擦系数稳定,磨耗小,抗冲击强度提高20%左右。使用过程中制动舒适,无噪音产生,使用寿命1年。


西安航天复合材料研究所发明了一种高性能C/C摩阻材料,适用于高速列车、磁悬浮列车等的制动刹车系统。采用迭层编织的碳纤维布作增强骨架,以粗糙型热解碳、耐高温树脂裂解填充致密碳增强骨架,形成高致密度的耐磨C/C复合材料,并以高温反应渗硅法添加抗氧化碳化硅基体,以提高这种C/C材料的耐高温摩擦性能和表面摩阻性能。该制品还具有抗压、抗剪切性能突出、摩擦系数低、工艺简单和易产业化的特点。


C/C摩擦材料已在我国多家企业实现产业化,例如湖南博云新材料股份有限公司、宜兴市天鸟高新技术公司、湖南南方博云新材料公司等,现都可以生产高速列车用的C/C刹车片。


开发设计大型、复杂、通用的复合材料产品将是发展方向

结合国内现状,复合材料要在轨道交通领域得到大规模应用,尤其在大型、关键结构件上应用,尚需解决一系列问题:如何降低高速列车复合材料构件的加工成本;如何提高高速列车用复合材料的无烟、阻燃等性能;如何解决制备高速列车大型复合材料构件整体成型的技术问题和相应的环境问题等。


实际上,优化设计是复合材料应用的基础,是实现减重和安全性的保证。就复合材料本身的性能而言,其强度、刚度、耐疲劳等性能均可满足轨道列车的需求,结构的设计、各部位对载荷的要求、铺层的设计、接头的设计等,才是制约其应用推广的关键。美国、日本和欧洲一些国家的产品设计技术成熟,水平较高,而且专业化,计算机辅助设计软件己经商业化。开发设计大型、复杂、通用的复合材料产品将是发展的方向。


具体来说,未来复合材料的大量应用是高速列车技术和复合材料技术发展的必然,其趋势可以归纳为:复合材料应用由非承力件向主承力件发展;结构复合材料应用向结构、功能复合材料同时应用发展。制备高速列车聚合物复合材料构件的工艺,由手糊为主向SMC、RTM、RFI、VIMP、拉挤、编织成型等方向发展,且将逐步型材化。各种先进复合材料、复合结构,如蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、功能层合板等将成为铁路系统和高速列车的研究开发重点。


在以后的应用过程中,如果采用模块化的设计技术及整体成型技术,将会大大减少复合材料大结构件的复杂性,并缩短生产实际及总装所需要的工作量,降低总体成本。同时,复合材料具有的耐疲劳、耐腐蚀等特性,降低了制品的维修成本。由于减重,提高了运营能力,减少了能耗,复合材料的总寿命周期成本也就降低了。


总之,复合材料在高速列车上的应用展示了巨大的优势和广泛前景。因此国内在应用现有技术和工艺,为高速列车研发、配套车门、整体卫生间等车体设备和装饰件的同时,应深入研究具有自主知识产权的复合材料制造技术及其批量化产品,促进我国高速轨道交通事业的发展。


作者:李世涛 赵长龙

单位:南车青岛四方机车车辆股份有限公司国家工程技术研究中心